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1、基于单片机AT89C52的线路监控器设计电气信息及其自动化 孙宇斌 指导老师 闫绍敏摘 要：介绍了一种基于单片机的电网监控器。控制器由AT89C52单片机，AD转换电路，LCD 显示电路，电流、电压、频率、相位采集电路以及控制电路等组成。监控器具有实时采线路电压、电流、频率和相位的功能，并根据输入电压，电流能够自动实现对线路的保护并进行声光报警。同时具有串行通讯功能，可实现远程监控及参数设置。通过运行，证明系统的软硬件设计合理，运行稳定、可靠。关键词：单片机 交流采样 线路保护 电力监测Power Line Monitor and Control System Based on AT89C52
2、Student majoring in Electricity and It Automation Sun YubinTutor Yan ShaominAbstract: This paper introduces a design for AC Power Monitor and Control System base on MCU. This designs hardware consists of system circuit in MCU AT89C52, AD convert circuit, LCD display circuit, the monitor circuit of c
3、urrent and voltage. The system can measure the voltage, current, frequency, phase of the Power system precisely and protect the Power Line with the result. The MCU also can communicate with the PC through the COM to realize remote control. Through the system software adjusting and operating, it indi
4、cates that this system is simple in the software design and the program can be operated steadily and reliably.Keywords: AT89C52；AC measurement；protection of Power Line；Power monitor引言：随着电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调度的自动化显得尤为重要；而在电力调度自动化系统中，电力参数的测量是最基本的功能。如何快速、准确地采集各种电力参数显得尤为重要。电网监控主要是指电力调度自动化系统，根
5、据电网的规模不同，可以分为不同级别的电力调度自动化系统。随着电力系统的发展，电网监控和自动化系统的运行水平、实用程度以及总体技术性能得到迅速发展和提升。输电电压等级不断升高，电网范围不断扩大，对电网运行管理的要求愈来愈高，对电网监控与自动化技术的要求也愈来愈高。只有运行稳定可靠的电网监控器才能满足市场的要求和发展的需要。1.线路监控器的功能线路监控器能实时根据输入电压，输入电流，电网频率及功率的变化控制3 路继电器，对三相线路进行通断控制，实现短路、过负荷保护，并在低频时进行自动减负荷操作。并可以实现线路的控制监控参数的设定及实时参数显示。主要功能有：（1）.实时采集线路的输入电压、输入电流，
6、输入功率和频率；（2）.通过LCD点阵液晶显示模块，实时显示电压、电流、频率、相位、功率；（3）.实现对线路监控门限参数的设定，并具有RS232通信功能，也可实现门限参数的远程修和远程设置；（4）通过继电器的控制，实现对线路的通断控制，并在短路、过负荷、低频高频时进行声光报警。电压变换电流变换多路转换开关采样保持电路AD转换电路AT89C52电压比较电压比较LCD显示键盘MAX232PC图1系统框图2 AT89C52单片机及相关芯片简介2.1 AT89C52总体结构AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失
7、性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口
8、、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 2.2 AT89C52的主要性能1与MCS-51单片机产品兼容2 8K字节在系统可编程Flash存储器3 1000次擦写周期4 全静态操作：0Hz33Hz5 三级加密程序存储器6 32个可编程I/O口线7 三个16位定时器/计数器8八个中断源9全双工UART串行通道10 低功耗空闲和掉电模式l 1掉电后中断可唤醒l 2看门狗定时器l3 双数据指针l4 掉电标识符 2.3 AT89C52的优点AT89C52单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4K
9、bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价AT89S52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。显示程序开始初始化测频率？测相位？测幅度？初始化符号显示测量频率程序测量频率程序测量相位程序结果送显示区测量幅度程序结果送显示区YYNYNN结果送显示区3.线路监控器系统设计3.1线路监控器软硬件结构3.1.1系统主要硬件结构系统主要由单片AT89C5
10、2、AD转换电路、LCD显示电路、远程通讯电路以及信号实时采集条理电路组成系统的总体框图如图1所示。 3.1.2系统主要软件结构软件采用单片机汇编程序，由主程序和各参数测量的子程序组成。主程序主要由初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、LCD显示模块、数据通信模块、输出控制模、块等组成。软件，经调试后固化在EPROM 中。软件的主要流程如图2所示。图2主程序流程图3.2交流幅度测量采样：3.2.1硬件组成交流采样是不经过电量变送器，按一定规律直接将二次侧的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，即输入A/D转换器的是与电力系统的一次电压和一次电流同频率、大小成比例的交流电
11、信号，然后再送人计算机进行处理。直接计算U、I，然后计算P、Q、COS等。由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，效率高，相位失真小，适用于多参数测量。通过在电力系统中应用的实践表明，采用交流采样方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数有着较好的准确度和稳定性。其工作原理如图3所示。互感电路选择电路保持电路AD转换电路AT89C52PC 图33.2.2幅度测量原理:若将电压有效值公式以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压值则，式中：T 为相邻两次采样的时间间隔；为第n个时间间隔的电压采样瞬时值；N为1个周期的采样点数
12、。若相邻两次采样的时间间隔相等，即为常数T，考虑到，则有 （1）式(1)就是根据一个周期内各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。同理，电流有效值计算公式如下：(2)计算一相有功功率的公式: 离散化后为： .(3)开始1启动AD转换延时120us启动AD转换数据数据处理结果送显示区转单片机显示式中：、 为同一时刻的电流、电压采样值。图4幅度测量程序流程功率因数可由下式求得：幅度测量程序流程如图4所示。3.3频率测量原理交流信号通过电压比较器转换成TTL电平，作为计数器的输入脉冲，在已知的时间内，根据计数器的值即可计算出交流信号的频率。通过AT80C52内部的定时计数器，可以准确地
13、控制计数的时间。在定时开始时启动计数器，定时时间一到就关闭计数器。但由于时钟为11.0592 MHz时，一个定时通道最大定时时间只能是几十毫秒，这样将两个定时计数器和 级联起来，便可得到定时为1 s或更长的时间间隔。将设置成工作方式2， 就被拆成一个8位的寄存器和一个8位的计数器，这样定时时间可达到0278 ms，然后再将其定时输出作为的外部输入脉冲。将设置成功制作方式1，适当调节时间常数，可得到准确的1 s的时间间隔(选取其他的时间间隔也可，然后通过程序计算频率值)，这样计数器的数值即为交流信号的频率。软件包括频率测量程序和中断程序，其流程分别如图5、图6所示。开始1停止计数读数并处理数据结
14、果送显示区计算周期周期送指定单元返回开始1清除计数器设置方式2定时设置方式1定时启动、开中断转单片机显示 图5测量频率流程图 图6中断流程图3.3相位测量原理Utxy图7硬件结构交流信号的相位是相对而言的，特别是测量两个同频率的交流信号的相位差。例如交流电源中的电压和电流的相位差，为测量相位差首先要测量出交流信号的频率与周期，然后侧相位差其中T是交流信号的周期。的测量：实际两个同频率的交流信号，相位差可能超前也可能落后，测量时要区别开来。假设有X与y两个 交流信号(如图7所示) ，可利用x方波的上升沿起动中断；利用y方波的上升沿起动 中断。在中断服务程序中，首先启动定时器，开中断，撤销全部中断
15、信号，等待y波中断。在中断服务程序中关闭定时器，撤销全部中断申请信号，然后读取定时器的数值，计算两个交流信号过零点的时间差。由于两个同频率的交流信号过零时间差不能大于12周期，所以如果测得的时间差大于12周期，说明y波相位超前x波，用周期减去所测得的时间差，即是相位差的时间；否则是x波相位超前y波，测得的时间值即是相位差的时间。置相位标志，计算相位，供输出显示使用。中断服务程序和中断服务程序。其流程分别如图8， 图9所示。撤销外部中断读计数器的值P停止计数开始TP计算相位差返回置Y超前标志P0.5T?11结果送显示区NY 撤销外部中断开中断返回启动定时器开始图8中断服务流程图 图9 中断服务流
16、程图 3.4. 通讯模块设计3.4.1通讯的功能计算机网络的协议包括了从物理线路的电气特性到各计算机的进程之间的共享资源的全部内容，其内容庞大而复杂。就本控制器而言，通信协议无需考虑那么复杂，只需制定信息在线路中的传输规则，他涉及信息格式、顺序控制、流量控制、信息成帧与拆帧、差错控制以及传输过程中的管理等。由于通信是系统运行的一个重要组成部分，协议的设计主要考虑可靠、方便地进行数据传输。控制器主要的通讯功能是通过上位机设置或修改控制器工作的延迟时间、输入电压的保护门限、电流的保护门限以及控制器实时数据的传输等。可使控制器在不同的输入电压和电流范围之内正常工作，从而增加了控制器的灵活性。通信协议
17、必须解决以下问题：（1）接收并处理上位机传来的命令和数据；（2）对接收数据进行校验，能够识别指令和数据的效性；（3）收到任何传送给本机的命令应做出相应的响应；（4）将实时监测的数据上传至上位机，上位机对数据进行处理、记录并作出相应的响应 3.4.2数据通信协议：协议中所有的命令与数据信息均包含帧头和数据，帧头1B ,，数据1B ,。在该系统通信中，系统将设置5个参数值，其通信协议如表1，表2 所示。无论系统设置是否成功，下位机都将向上位机返回信息，在表2中，上行命令是由上位机发送给控制器，实现控制器参数的设置和修改；下行命令主要是控制器根据系统要求完成某种功能之后的反馈信息和数据，也是通信是否
18、成功的回执。上行命令格式：序号改值说明帧头实时数据1输入电压上限0XAA02552输入电压下限0X5502553输入电流上限0XF00104频率上限0X0F50605频率下限0XFF40506接收数据成功0X57接收数据失败0X 表一下行令格式：序号改值说明帧头实时数据1检测电压有效值0XAA0255检测电流有效值0XF0010检测频率值0XFF40检测相位值接收数据成功0X5接收数据失败0X 表二3.4.3通讯软件简介以修改门限值为例：首先，上位机发送起始命令（ 帧头），控制器接收到正确的起始命令之后，经过判断是否有效。若有效，则接收数据并进行处理，最后返回成功应答信号；否则返回数据校验错或
19、者数据接收错误信号，上位机将重新发送。上位机收到数据成功应答信号后，就认为完成了本次通信。通讯流程图如图10中断入口接受命令字接收数据返回错误命令返回正确命令检测字头修改数据恢复现场 图104 结束语经过实践验证，本系统测量原理正确，测量效果比较理想。测量交流信号频率可达10 MHz以上，对于50 Hz的交流信号的相位差，其测量结果可精确到千分之一。测量交流信号幅度的精度是由模数转换器决定的，提高模数转换器的位数即可提高测量的精度。在具体测量中要注意以下3点：(1)交流信号的频率一方面受计数器最高使用频率的限制，另一方面受计数器的位数的限制，使用24位二进制计数器可达16 MHz；(2)认真考虑中断和定时器工作过程中的机器周期数，适当调整定时器的时间常数，可提高测量的精度；(3)测量较低频率交流信号时，可利用程序计数器增加测量的时间间隔，比如，测量交流电的电压与电流的相位差。 致谢闫绍敏老师及电气学院诸位老师对我的无私帮助和教育！参考文献：1张保会，尹项根.电力系统继电保护 M.北京：中国电力出版社，2005.2 何立民.MSC-51系列单片机应用系统设计：配置与接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2000.3 张毅刚.MCS-51单片机原理及应用（第三版）M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.
